KESAN BEBANAN KELULI TAHAN KARAT TERHADAP CIRI-CIRI

KOMPOSIT GRAFIT POLIPROPILENA UNTUK PLAT DWI KUTUB

MUHAMAD ASZAHARE BIN ABDUL

UNIVERSITI TEKNIKAL MALAYSIA MELAKA

MU

HA

MA

D A

SZ

AH

AR

E B

. AB

DU

L IJ

AZ

AH

SA

RJA

NA

MU

DA

KE

J. M

EK

AN

IKA

L (S

TR

UK

TU

R &

BA

HA

N)(K

EP

UJ

IAN

) 2015 U

TeM

PENGISYTIHARAN PENYELIA

“Saya mengisytiharkan bahawa saya telah membaca tesis ini dan pada pandangan saya

laporan ini adalah memadai dari segi skop dan kualiti untuk tujuan penganugerahan

Ijazah Sarjana Muda Kejuruteraan Mekanikal (Struktur dan Bahan)”

Tandatangan :……………………………………………

Penyelia : DR. MOHD ZULKEFLI BIN SELAMAT

Tarikh : 30 JUN 2015

i

KESAN BEBANAN KELULI TAHAN KARAT TERHADAP CIRI-CIRI

KOMPOSIT GRAFIT POLIPROPILENA UNTUK PLAT DWI KUTUB

MUHAMAD ASZAHARE BIN ABDUL

Tesis ini akan diserahkan kepada fakulti kejuruteraan mekanikal

sebagai syarat untuk mendapatkan penganugerahan

Ijazah Sarjana Muda Kejuruteraan Mekanikal (Struktur & Bahan)

Fakulti Kejuruteraan Mekanikal

Universiti Teknikal Malaysia Melaka

JUN 2015

ii

PENGISYTIHARAN

“Saya dengan ini mengisytiharkan bahawa kerja dalam tesis ini merupakan kepunyaan

saya sendiri kecuali rumusan dan petikan yang telah diberi pengiktirafan.”

Tandatangan :………………………………………….

Pengarang : MUHAMAD ASZAHARE BIN ABDUL

Tarikh : 30 JUN 2015

iii

PENGHARGAAN

Assalamualaikum w.b.t

Setinggi-tinggi kesyukuran kepada hadrat Illahi Allah S.W.T kerana dengan

limpah dan keizinan-Nya Projek Sarjana Muda ini berjaya disempurnakan dengan

jayanya. Setelah 2 semester tahun akhir bertungkus lumus dalam usaha mendalami projek

ini, akhirnya saya telah menyempurnakan tanggungjawab sebagai seorang pelajar

siswazah universiti. Ianya mustahil untuk saya menyempurnakan kajian ini tanpa bantuan

dan pertolongan daripada semua pihak yang terlibat.

Malah penting untuk saya mengucapkan terima kasih kepada sebahagian-

sebahagian daripada kesemua pihak yang terlibat. Pertama sekali saya suka untuk

mencatatkan ribuan terima kasih kepada Dr. Mohd Zulkefli Bin Selamat sebagai Penyelia

Projek Sarjana Muda saya kerana telah banyak meluangkan masa, memberikan banyak

sokongan serta dorongan, keprihatinan, penuh berwibawa dan komen dimana

memotivasikan saya dalam mempelajari sesuatu perkara yang baru sepanjang kajian ini

dijalankan.

Tidak lupa juga, ucapan jutaan terima kasih kepada seluruh keluarga, pensyarah-

pensyarah, juruteknik dan rakan-rakan kerana memberi sokongan secara langsung dan

tidak langsung. Segala bantuan dan kebaikan tidak dapat dibayar kecuali Allah S.W.T.

Terakhir sekali, sekali lagi saya ingin mengucapkan terima kasih kepada semua ahli yang

terlibat secara langsung mahupun tidak untuk menjayakan Projek Sarjana Muda ini.

Terima kasih.

iv

ABSTRACT

Over the past decade, rapid progress has been made in the understanding and

development of Conductive Polymer Composite (CPC) as conducting materials. This

project is aimed to study the effects of stainless steel (SS) loading on the electrical and

mechanical properties of Graphite (Gr)/ Stainless Steel (SS)/ Polypropylene (PP)

composite for bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). SS is

selected as second filler because it offers good electrical conductivity, high bulk thermal

conductivities, good corrosion resistance and constant particle shape. The analysis on

Gr/SS/PP composite ratio and the properties of Gr, SS, and PP will be carried out

together with the effect of Graphite (Gr) as a main filler and Stainless Steel (SS) as a

second filler whereas Polypropylene (PP) as a binder. The effect of filler on the

composite properties has been evaluated as well as the ratio of the weight percentage (wt

%) of the composite with 80% for multi-filler material and 20% binder material. The St

wt % was varied from 5 wt % up to 30 wt % of the total multi-filler material. After

formation of composite through compression molding, the effect of SS in Gr/SS/PP

composite has been determined through various tests such as electrical conductivity,

flexure strength, density and hardness before can be used as composition of Gr/St/PP

composite of bipolar plate. The result of Electrical Conductivity, Bulk Density and Shore

Hardness meet the requirements for characteristics of bipolar plate as in the Department

of Energy (DoE). But for Flexural Strength a value which is showed less than 40 MPa.

v

ABSTRAK

Sedekad yang lalu, kemajuan pesat telah diberlaku di dalam memahami dan

pembangunan Konduktif Polimer Komposit (CPC) sebagai bahan pengalir elektrik.

Projek ini bertujuan untuk mengkaji bebanan keluli tahan karat (SS) terhadap sifat-sifat

elektrikal dan mekanikal Grafit (Gr) / Keluli Tahan Karat (SS) / Polipropilena (PP)

komposit plat dwikutub polimer elektrolit membran sel bahanapi (PEMFC). SS dipilih

sebagai pengisi kedua kerana ia menawarkan kekonduksian elektrik yang baik,

keberaliran haba yang tinggi, ketahanan pengaratan yang baik dan bentuk zarah yang

berterusan. Analisis keatas komposit nisbah Gr / SS / PP dan sifat-sifat Gr/ SS/ PP telah

dibuat bersama-sama dengan kesan bebanan Grafit (Gr) sebagai pengisi utama dan Keluli

Tahan Karat (SS) sebagai pengisi kedua manakala Polipropilena (PP) sebagai pengikat.

Kesan komposisi bahan pengisi terhadap sifat komposit juga dinilai berserta nisbah

peratusan berat (% berat) dengan 80% untuk bahan pelbagai pengisi dan 20% bahan

pengikat. Peratus berat SS diubah mulai 5% berat sehingga 30% berat daripada jumlah

bahan pelbagai pengisi. Selepas pembentukan komposit melalui pengacuan mampatan,

kesan bebanan SS dalam Gr / SS / PP komposit ditentukan melalui pelbagai ujian seperti

kekonduksian elektrik, kekuatan lenturan, kepadatan dan kekerasan sebelum boleh

digunakan sebagai komposisi Gr / SS / PP komposit plat dwikutub. Hasil kajian ini

menunjukkan analisis daripada Kekonduksian Elektrik, Ketumpatan dan Kekerasan

memenuhi ciri-ciriy ang diperlukan plat dwikutu boleh JabatanTenaga (JAS). Manakala

bagi Kekuatan Lenturan hasilnya menunjukkan sangat rendah daripada 40 MPa.

vi

ISI KANDUNGAN

BAB TAJUK MUKA SURAT

PENGISYTIHARAN PENYELIA

TAJUK HALAMAN i

PENGISYTIHARAN ii

PENGHARGAAN iii

ABSTRACT iv

ABSTRAK v

ISI KANDUNGAN vi-x

SENARAI RAJAH xi-xiii

SENARAI JADUAL xiv-xv

SENARAI LAMPIRAN xvi

SENARAI SIMBOL xvii

SENARAI SINGKATAN xviii

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG 1

1.2 OBJEKTIF 3

1.3 PERNYATAAN MASALAH 3

1.4 SKOP KAJIAN 4

vii

BAB 2 KAJIAN PUSTAKA

2.1 KONDUKTIF KOMPOSIT

POLIMER

2.1.1 Konduktiviti Polimer

Pengisi

2.1.2 Polimer Pengisi bersama

Konduktif Padu

5

6

7

2.2 PERTUKARAN PROTON

MEMBRAN SEL BAHAN API

(PEMFC)

2.2.1 Pertukaran Proton Membran

Sel Bahan Api Berfungsi

2.2.2 Komponen PEMFC

2.2.2.1 Plat Dwi Kutub

9

10

11

11

2.3 BAHAN PLAT DWI KUTUB

2.3.1 Pengisi

2.3.1.1 Grafit

2.3.1.2 Keluli Tahan Karat

2.3.2 Pengikat

2.3.2.1 Polipropilena (PP)

13

14

14

19

23

23

2.4 FABRIKASI PLAT DWI KUTUB

2.4.1 Pengacuan Injeksi

2.4.1.1 Keperluan Tenaga

2.4.2 Acuan Mampatan

2.4.2.1 Proses Asas

Pengacuan

Mampatan

2.4.2.2 Kelebihan

2.4.2.3 Kekurangan

25

25

26

27

27

28

28

viii

2.5 KAEDAH PENGUJIAN

2.5.1 Kekonduksian Elektrikal

2.5.2 Sifat-sifat Mekanikal

29

29

30

2.6 KAJIAN LANJUTAN 31

BAB 3 METODOLOGI

3.1 PENYIFATAN DARI BAHAN

ASAS

34

3.2 PENCAMPURAN AWALAN 35

3.3 PENYEDIAAN SERBUK PP 36

3.4 PENYEDIAAN PLAT DWI

KUTUB (Gr + SS + PP)

37

3.5 PENGACUAN MAMPATAN 38

3.6 PENGUJIAN

3.6.1 Sifat-Sifat Elektrikal

3.6.2 Sifat-Sifat Mekanikal

3.6.2.1 Ujian Lenturan

3.6.2.2 Ujian Ketumpatan

3.6.2.3 Ujian Kekerasan

40

40

40

41

42

42

BAB 4 KEPUTUSAN DAN ANALISIS

4.1 KAJIAN AWAL

4.1.1 Kesan Suhu Mampatan

43

44

4.2 PENYEDIAAN PLAT DWI

KUTUB

4.2.1 Keputusan Ujian

Kekonduksian Elektrik

4.2.2 Keputusan ujian lenturan

45

45

47

ix

4.2.3 Keputusan ujian

ketumpatan

4.2.4 Keputusan ujian kekerasan

4.2.5 Keputusan ujian

mikrostuktur

48

48

49

BAB 5 PERBINCANGAN

5.1 PERBINCANGAN MASALAH

YANG DIHADAPI

5.1.1 Bahan terkeluar daripada

acuan

5.1.2 Bahan melekat pada acuan

5.1.3 Plat acuan longgar

5.1.4 Permukaan sampel tidak

sekata dan pecah

51

51

52

53

53

5.2 PENYELESAIAN 54

5.3 PERBINCANGAN DARIPADA

KEPUTUSAN UJIAN

5.3.1 Ujian Kekonduksian

Elektrik

5.3.2 Ujian Lenturan

5.3.3 Ujian Ketumpatan

5.3.4 Ujian Kekerasan

55

56

57

59

60

5.4 PERBANDINGAN KEPUTUSAN

KAJIAN DENGAN

PENGKAJIAN LAIN

61

x

BAB 6

KESIMPULAN DAN CADANGAN

6.1 KESIMPULAN 63

6.2 CADANGAN 65

RUJUKAN 66

BIBLIOGRAFI 71

LAMPIRAN 73

xi

SENARAI RAJAH

BIL TAJUK

MUKA SURAT

Rajah 1.1 Sel bahan api 2

Rajah 2.1 Keserapan S-Curve 7

Rajah 2.2 Skematik zarah konduktif tersebar dalam matriks

polimer yang berbeza-beza pada isipadu zarah

8

Rajah 2.3 Pertukaran proton membran sel bahan api (PEMFC) 9

Rajah 2.4 Fungsi PEMFC 10

Rajah 2.5 Ilustrasi komponen PEMFC 11

Rajah 2.6 Plat Dwi Kutub 12

Rajah 2.7 Pengkelasan Bahan Dari Plat Dwi Kutub Yang

Digunakan Dalam PEMFC

13

Rajah 2.8 Contoh Grafit 16

Rajah 2.9 Unit Sel Grafit 17

Rajah 2.10 Keluli tahan karat AISI 316L (Fe/Cr18/Ni10/Mo3) 20

Rajah 2.11 Sintesis bagi polipropilena 23

Rajah 2.12 Polipropilena 24

Rajah 2.13 Mesin Acuan Injeksi 26

Rajah 2.14 Bahan dimasukkan ke dalam acuan 27

Rajah 2.15 Pengacuan ditutup 27

Rajah 2.16 Acuan dikeluarkan 28

Rajah 2.17 Mesin Pengujian Empat-Titik, Jandel 29

xii

Rajah 2.18 Mesin penguji kekerasan Zwick dan mesin

pengujian lenturan

30

Rajah 2.19 Alat Uji Meter Ketumpatan 30

Rajah 3.1 Proses Carta Aliran 33

Rajah 3.2 Serbuk bahan Gr/ SS / PP 34

Rajah 3.3 Mesin Pengisar Bebola 35

Rajah 3.4 Bebola Besi 35

Rajah 3.5 Mesin Pengacuan Mampatan 36

Rajah 3.6 Mesin penghancur 36

Rajah 3.7 Hasil partikel PP 36

Rajah 3.8 Mesin Pengisar 37

Rajah 3.9 PP (serbuk) 37

Rajah 3.10 PP (250�m) 37

Rajah 3.11 Acuan 140 x 60 x 3 38

Rajah 3.12 Mesin Pengacuan Mampatan 38

Rajah 3.13 Sampel Plat Dwi Kutub 39

Rajah 3.14 Mesin Pengukuran Empat-Titik, Jandel 40

Rajah 3.15 Titik ujian pada permukaan sampel 40

Rajah 3.16 Mesin Pemotong 41

Rajah 3.17 Saiz piawaian pengujian lenturan 41

Rajah 3.18 Mesin Lenturan Tiga Titik 41

Rajah 3.19 Elektronik Densimeter 42

Rajah 3.20 Saiz piawaian pengujian ketumpatan 42

Rajah 3.21 Alat Pengujian Kekerasan 42

Rajah 4.1 Mikrostruktur pada komposisi 20 bt% SS 49

Rajah 4.2 Gambarajah mikrostuktur pada setiap kandungan

bt% SS

50

Rajah 5.1 Bahan terkeluar daripada acuan 52

Rajah 5.2 Bahan melekat pada acuan 52

Rajah 5.3 Permukaan sampel tidak sekata dan pecah 53

Rajah 5.4 Menggunakan lilin pada plat acuan 54

xiii

Rajah 5.5 Mesin kertas pasir 54

Rajah 5.6

Graf Kekonduksian Elektrik terhadap Kandungan

SS bt%

56

Rajah 5.7 Graf Kekuatan Lenturan terhadap Kandungan SS

bt%

58

Rajah 5.8 Graf ketumpatan terhadap Kandungan SS bt% 59

Rajah 5.9 Graf kekerasan terhadap Kandungan SS bt% 60

xiv

SENARAI JADUAL

BIL TAJUK

MUKA SURAT

Jadual 2.1 Sifat Utama Pengisi 16

Jadual 2.2 Komposisi julat untuk 316L keluli tahan karaT 22

Jadual 2.3 Sifat mekanikal 316L keluli tahan karat 22

Jadual 2.4 Sifat-sifat fizikal yang biasa untuk 316 gred keluli

tahan karat

22

Jadual 2.5 Sifat Utama Pengikat 24

Jadual 2.6 Keperluan kuasa pengacuan suntikan dengan bahan

yang berbeza

26

Jadual 3.1 Ciri-ciri bahan asas Gr/SS/PP 34

Jadual 3.2 Kandungan berdasarkan peratusan berat 35

Jadual 3.3 Parameter Mesin Mampatan 39

Jadual 4.1 Parameter Pembuatan 44

Jadual 4.2 Keputusan kekonduksian elektrik 44

Jadual 4.3 Komposisi SS 30% dengan parameter suhu yang

berbeza

44

Jadual 4.4 Parameter Pembuatan 45

Jadual 4.5 Data kedua permukaan atas dan bawah komposisi

20bt% SS

46

xv

Jadual 4.6 Purata keputusan kekonduksian elektrik Gr/SS/PP 47

Jadual 4.7 Keputusan purata kekuatan lenturan Gr/SS/PP 47

Jadual 4.8 Purata keputusan ketumpatan Gr/SS/PP 48

Jadual 4.9 Purata keputusan Kekerasan Gr/SS/PP 48

Jadual 5.1 Jabatan Tenaga Amerika Syarikat (JAS) 55

Jadual 5.2 Perbandingan hasil kajian dengan pengkajian lain 61

xvi

SENARAI LAMPIRAN

BIL TAJUK

MUKA SURAT

A CARTA ALIRAN KAJIAN 68

B CARTA GANTT PROJEK TAHUN AKHIR 69

C PENENTUAN PARAMETER SUHU DAN

TEKANAN PADA PROSES PENGACUAN

MAMPATAN

70

D HASIL PENGUJIAN KEKONDUKSIAN

ELEKTRIK

71

E HASIL PENGUJIAN KEKUATAN LENTURAN

SS 15%

72

HASIL PENGUJIAN KEKUATAN LENTURAN

SS 20%

74

F HASIL PURATA PENGUJIAN KETUMPATAN 76

G HASIL PURATA PENGUJIAN KEKERASAN 77

xvii

SENARAI SIMBOL

PEMFC Proton Electrolyte Membrane Fuel Cell/ Polymer Electrode

Membrane Fuel Cell

PEM Polymer Electrode Membrane

MEA Membrane Electrode Assembly

Gr Graphite

SS Stainless Steel

PP Polypropylene

CPCs Conducting Polymer Composites

IPCs Inherently Conducting Polymers

SPEs Solid Polymer Electrolytes

ESD Expatriate Services Division

CB Carbon Black

PPS Polyphenylene Sulfide

PVDF Polyvinylidene Fluoride

JAS Jabatan Tenaga Amerika Syarikat

Cr Chromium

Ni Nickel

Mo Molybdenum

xviii

SENARAI SINGKATAN

bt.% Peratusan Berat

S/cm Siemen/centimeter

MPa Mega Pascal

cm Centimeter �A Micron Ampere

g.cm-3

gram/centimeter3

W/m Watt Per Metre �A cm-2

Micro Ampere(s) Per Square Centimeter �m Micrometer

0C Suhu Celcius

Ω cm2 Ohm Centimeter Square

nm nanometer

1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

PEMFC (Proton Electrolyte Membrane Fuel Cell) adalah salah satu sumber kuasa

yang paling berpotensi sebagai sumber kuasa mudah alih dalam industri automotif kerana

ciri-ciri yang menarik seperti kepadatan tinggi kuasa, suhu operasi yang rendah, bekalan

bahan api mudah, masa hayat dan transformasi mesra alam [1]. PEMFC menghasilkan

tenaga dengan menukarkan tenaga kimia kepada tenaga elektrik melalui tindak balas

elektrokimia.

PEMFC dibina daripada gabungan beberapa komponan iaitu Elektrolit Himpunan

Membran (MEA) termasuk membran, elektrolit dan penyebaran gas lapisan dan plat dwi

kutub. Salah satu komponen yang paling penting dalam sel-sel bahan api adalah plat dwi

kutub. Plat dwi kutub adalah komponen yang amat penting dalam sistem ini kerana

beratnya biasanya sampai 60-90% daripada jumlah berat tindanan dan kosnya adalah

2

sehingga 30-60% daripada jumlah kos [3]. Rajah 1.1 menunjukkan prinsip kerja sel

bahan api. Sel bahan api umumnya beroperasi pada gas hidrogen dan oksigen. Larutan

kalium hidroksida dalam air digunakan sebagai elektrolit. Gas hidrogen pada anod

bertindak balas dengan ion OH- untuk menghasilkan air dan elektron. Elektron yang

dihasilkan di anod menjalankan bebanan yang disambungkan pada luar litar dan

berpindah ke arah katod.

Rajah 1.1: Sel bahan api

Ia juga memisahkan gas antara sel-sel dan menyediakan medium konduktif antara

anod dan katod, menyediakan saluran untuk bidang aliran gas reaksi dan pemindahan

haba daripada sel.

Anod: H2 → 2H+ + 2e¯ (1)

Katod: ½O2 + 2H+ + 2e¯ → H2O (2)

Jumlah hasil tindak balas sel: 2H2 + O2 → 2H2O + Eo (3)

Tiga jenis bahan yang biasa digunakan dalam pembuatan plat dwi kutub termasuk

plat logam, plat grafit tulen dan komposit polimer. Plat dwi kutub logam seperti keluli

tahan karat menunjukkan kestabilan mekanikal yang baik serta konduktiviti elektrik dan

haba yang tinggi. Kelemahan utama plat logam adalah kecenderungnya kepada

pengaratan. Bagi grafit tulen pula ianya mempunyai rintangan pengaratan yang sangat

baik dan rintangan elektrik yang rendah. Kelemahan plat jenis ini adalah sifat mekanikal

3

yang rendah, keliangan dan kos pembuatan yang tinggi. Oleh itu, untuk menyelesaikan

masalah yang dinyatakan sebelum ini, penggunaan bahan komposit berasaskan

grafit/polimer merupakan sebagai pilihan yang menarik bagi pembuatan plat dwi kutub

dalam PEMFC.

1.2 OBJEKTIF

Penyelidikan yang dijalankan adalah untuk menghasilkan bahan komposit Grafit

(Gr)/Polipropilena (PP) ditambahan bahan Keluli Tahan Karat (SS). Komposit Gr/SS/PP

dihasilkan dengan menggunakan Gr sebagai bahan pengisi utama, SS sebagai pengisi

kedua dan PP sebagai pengikat. Kesan pengunaan bahan-bahan tersebut dinilai daripada

nisbah peratusan berat komposit.

Oleh itu antara objektif yang dinilai untuk mencapai kajian ini :

1. Untuk mengkaji kesan bebanan SS pada ciri-ciri komposit Gr/SS/ PP.

2. Untuk menentukan beban kritikal SS daripada komposit Gr / SS/ PP.

1.3 PERNYATAAN MASALAH

Di dalam kajian ini, plat dwi kutub dalam PEMFC (Proton Electrolyte Membrane

Fuel Cell) kebanyakannya dibuat daripada Gr tulen sebagai bahan plat kerana

mempunyai sifat kestabilan kimia yang sangat baik, tahan karat serta kesan pencemaran

persekitaran yang rendah. Tetapi kelemahan plat Gr tulen mempunyai konduktiviti yang

rendah, kos fabrikasi yang tinggi, kesukaran untuk pemesinan saluran aliran, keliangan

dan kekuatan mekanikal yang rendah (kerapuhan) [2-4]. Ramai penyelidik telah

menggunakan pelbagai jenis bahan pengalir antaranya karbon hitam, serat karbon dan

karbon nanotiub serta kaedah-kaedah fabrikasi yang berbeza untuk memperolehi plat

yang bercekapan tinggi, murah dan ringan. Penggunaan Gr dalam bentuk serbuk sebagai

bahan pengisi utama, SS sebagai bahan pengisi kedua untuk memberikan kekuatan yang

lebih baik serta kekonduksian yang tinggi [5] serta PP sebagai pengikat. Sementara itu,